Ett vetenskapligt team ledd av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har hittat ett nytt sätt att ta den lokala temperaturen på ett material från ett område som är ungefär en miljarddels meter brett, eller cirka 100, 000 gånger tunnare än ett människohår.

Denna upptäckt, publicerad i Fysiska granskningsbrev , lovar att förbättra förståelsen för användbara men ovanliga fysiska och kemiska beteenden som uppstår i material och strukturer på nanoskala. Förmågan att ta temperaturer i nanoskala kan hjälpa till att utveckla mikroelektroniska enheter, halvledande material och annan teknik, vars utveckling beror på att kartlägga vibrationerna i atomskala på grund av värme.

Studien använde en teknik som kallas elektronenergiförstärkningsspektroskopi i en nyinköpt, specialiserat instrument som producerar bilder med både hög rumslig upplösning och stora spektrala detaljer. Det 13 fot höga instrumentet, gjord av Nion Co., heter HERMES, förkortning för High Energy Resolution Monochromated Electron energiförlustspektroskopi-Skannande transmissionselektronmikroskop.

Atomer skakar alltid. Ju högre temperatur, ju mer skakar atomerna. Här, forskarna använde det nya HERMES-instrumentet för att mäta temperaturen hos halvledande hexagonal bornitrid genom att direkt observera atomvibrationerna som motsvarar värmen i materialet. Teamet inkluderade partners från Nion (utvecklare av HERMES) och Protochips (utvecklare av ett värmechip som användes för experimentet).

"Det som är viktigast med denna "termometer" som vi har utvecklat är att temperaturkalibrering inte behövs, " sa fysiker Juan Carlos Idrobo från Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL.

Andra termometrar kräver föregående kalibrering. För att göra temperaturgraderingsmärken på en kvicksilvertermometer, till exempel, tillverkaren behöver veta hur mycket kvicksilver expanderar när temperaturen stiger.

"ORNLs HERMES ger istället en direkt mätning av temperaturen på nanoskala, ", sa Andrew Lupini från ORNL:s materialvetenskaps- och teknikavdelning. Försöksledaren behöver bara känna till energin och intensiteten hos en atomvibration i ett material - som båda mäts under experimentet.

Dessa två funktioner är avbildade som toppar, som används för att beräkna ett förhållande mellan energivinst och energiförlust. "Från detta får vi en temperatur, Lupini förklarade. "Vi behöver inte veta något om materialet i förväg för att mäta temperatur."

1966, Också i Fysiska granskningsbrev , H. Boersch, J. Geiger och W. Stickel publicerade en demonstration av elektronenergiförstärkningsspektroskopi, i en större skala, och påpekade att mätningen bör bero på provets temperatur. Baserat på det förslaget, ORNL-teamet antog att det borde vara möjligt att mäta ett nanomaterials temperatur med hjälp av ett elektronmikroskop med en elektronstråle som är "monokromerad" eller filtrerad för att välja energier inom ett smalt område.

För att utföra spektroskopiexperiment med elektronenergiförstärkning och -förlust, forskare placerar ett provmaterial i elektronmikroskopet. Mikroskopets elektronstråle går genom provet, med majoriteten av elektronerna som knappt interagerar med provet. I elektronenergiförlustspektroskopi, strålen förlorar energi när den passerar genom provet, medan energiförstärkningsspektroskopi, elektronerna får energi genom att interagera med provet.

"Den nya HERMES låter oss titta på mycket små energiförluster och till och med mycket små mängder energivinst av provet, som är ännu svårare att observera eftersom de är mindre benägna att hända, " Idrobo sa. "Nyckeln till vårt experiment är att statistiska fysikaliska principer säger oss att det är mer sannolikt att observera energivinst när provet värms upp. Det var just det som gjorde att vi kunde mäta temperaturen på bornitriden. Det monokromaterade elektronmikroskopet möjliggör detta från volymer i nanoskala. Förmågan att undersöka sådana utsökta fysiska fenomen i dessa små skalor är anledningen till att ORNL köpte HERMES."

ORNL-forskare driver ständigt på elektronmikroskopens kapacitet för att möjliggöra nya sätt att bedriva spetsforskning. När Nions elektronmikroskoputvecklare Ondrej Krivanek frågade Idrobo och Lupini, "Skulle det inte vara kul att prova elektronenergiförstärkningsspektroskopi?" de tog chansen att bli de första att utforska denna kapacitet hos deras HERMES-instrument.

Nanoskalaupplösning gör det möjligt att karakterisera den lokala temperaturen under fasövergångar i material - en omöjlighet med tekniker som inte har den rumsliga upplösningen av HERMES-spektroskopi. Till exempel, en infraröd kamera begränsas av våglängden hos infrarött ljus till mycket större föremål.

Medan forskarna i detta experiment testade miljöer i nanoskala vid rumstemperatur till cirka 1300 grader Celsius (2372 grader Fahrenheit), HERMES kan vara användbar för att studera enheter som fungerar över ett brett temperaturintervall, till exempel, elektronik som fungerar under omgivande förhållanden till fordonskatalysatorer som presterar över 300 C/600 F.